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Einsatz gepulster UV Lasersysteme zur Kühlung hochrelativistischer Ionenstrahlen und Laserspektroskopie an Beryllium-ähnlichen Krypton-Ionen

Klammes, Sebastian (2022):
Einsatz gepulster UV Lasersysteme zur Kühlung hochrelativistischer Ionenstrahlen und Laserspektroskopie an Beryllium-ähnlichen Krypton-Ionen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020509,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Einsatz gepulster UV Lasersysteme zur Kühlung hochrelativistischer Ionenstrahlen und Laserspektroskopie an Beryllium-ähnlichen Krypton-Ionen
Language: German
Abstract:

Die Ionenstrahlkühlung an Teilchenbeschleunigeranlagen zählt zu einer der unverzichtbaren Techniken zur Erzeugung von qualitativ hochwertigen Ionenstrahlen mit schmalen Geschwindigkeitsverteilungen. Mit dem Bau der zukünftigen Teilchenbeschleunigeranlage FAIR entsteht die Pilotanlage zur Laserkühlung hochenergetischer und intensiver Ionenstrahlen am SIS100. Das breite Emissionsspektrum von gepulsten Lasersystemen ermöglicht zukünftig die Anregung eines weiten Bereichs an adressierbarer, elektrische Dipolübergänge (E1), um somit initiale, breite Ionengeschwindigkeitsverteilungen am SIS100 zu kühlen. Die vorliegende Arbeit präsentiert die erfolgreiche breitbandige Laserkühlung von relativistischen und gebündelten Lithium-ähnlichen C³⁺-Ionen, welche erstmals mittels spektral breitbandigem Laserlicht am ESR gekühlt werden konnten. Hierzu wurde ein gepulstes 257 nm emittierendes UV Lasersystem verwendet. Dieses verfügt durch den Austausch der Seedquelle über einen weiten Abstimmbereich der Frequenz, bei nahezu konstanter Laserleistung. Es wird gezeigt, dass unterschiedliche Verstimmfunktionen genutzt werden können, welche einen Frequenzbereich von über 100 GHz abdecken. Dies ermöglicht die optimale Abstimmung der Laserparameter auf den Ionenstrahl für eine effiziente Laserkühlung. Mitunter wurde das gepulste Lasersystem auf eine transportable Version umgebaut. Weiterhin wird ein weiterentwickeltes Datenaufnahmesystem zur Echtzeit Betrachtung und Aufzeichnung der experimentellen anfallenden Beschleuniger-, Detektor- und Laserdaten gezeigt. Zur Untersuchung von Elektronenkorrelationen und relativistischen Effekten sowie zur Überprüfung komplexer Kalkulationsmodelle bei der theoretischen Bestimmung der Energieaufspaltung des ³P₀ - ³P₁ Übergangs in Beryllium-ähnlichen Kr³²⁺-Ionen wurden erste Erkenntnisse während einer Test-Strahlzeit zur Laserspektroskopie an Kr³²⁺ am ESR gesammelt. Während der Experimentierphase konnte eine vorherige Version des Datenaufnahmesystems, als auch des gepulsten UV Lasersystems erfolgreich eingesetzt werden. Simultan wurde ein gepulstes Farbstofflasersystem für die Spektroskopie verwendet, wobei die Strahlführung auf beide genutzten Lasersysteme ausgelegt worden ist. Ein wichtiges Resultat ist die Stabilität des Hochspannungsteilers im Bereich von ΔV/V ≤ 19 ppm bei anliegenden Hochspannungen bis zu 195 kV. Im Zuge dieser Arbeit wird die erstmalige Laserkühlung am Speicherring CSRe des IMP von relativistischen und gebündelten, Lithium-ähnlichen O⁵⁺-Ionen mittels eines cw UV Lasersystems dargestellt. Der Sauerstoff-Ionenstrahl besitzt einer Strahlenergie von 275,5 MeV/u, sodass der Kühlübergang mittels einer Laserwellenlänge von 220 nm angeregt wird. Die erfolgreiche Laserkühlung der O⁵⁺-Ionen stellt die derzeit schwerste Ionenspezies mit dem zugleich höchsten Ladungszustand sowie des energetischsten E1 Übergangs und der höchsten Ionengeschwindigkeit dar, welche mittels eines cw Lasersystems gekühlt werden konnte.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Ion beam cooling at particle accelerator facilities is one of the indispensable techniques for generating high-quality ion beams with narrow velocity distributions. With the construction of the future particle accelerator facility FAIR, a pilot facility for laser cooling of high-energy and intense ion beams is being developed at SIS100. The broad emission spectrum of pulsed laser systems allows in future the excitation of a wide range of addressable electric dipole (E1) transitions to cool initially broad ion velocity distributions at SIS100. The present work presents the successful broadband laser cooling of relativistic and bunched lithium-like C³⁺ ions, which could be cooled for the first time at ESR using spectrally broad laser light. A pulsed UV laser system emitting at 257 nm was used for this purpose. By interchanging the laser seed source, this results in a wide tuning range of frequency, with nearly constant laser power. It is shown that various detuning functions can be used, covering a frequency range larger than 100 GHz. This allows optimal tuning of the laser parameters to the ion beam for efficient laser cooling. In addition the pulsed laser system had been converted to a transportable version. Furthermore an advanced data acquisition system for real-time viewing and recording of the experimentally accumulated accelerator-, detector-, and laser data is demonstrated. To examine electron correlations and relativistic effects, as well as to validate complex calculation models in the theoretical determination of the energy splitting of the ³P₀ - ³P₁ transition in beryllium-like Kr³²⁺ ions, initial findings were collected during a test beamtime for laser spectroscopy of Kr³²⁺ at ESR. During the experimental phase, a previous version of the data acquisition system, as well as the pulsed UV laser system was successfully used. Simultaneously, a pulsed dye laser system could be used for spectroscopy, with a beamline designed for both used laser systems. An important result is the stability of the high voltage divider in the range of ΔV/V ≤ 19 ppm at applied high voltages up to 195 kV. In the course of this work, the first laser cooling at the storage ring CSRe of the IMP of relativistic and bunched lithium-like O⁵⁺ ions by means of a cw UV laser system is presented. The oxygen ion beam has a beam energy of 275,5 MeV/u, so the cooling transition is excited using a laser wavelength of 220 nm. The successful laser cooling of O⁵⁺ ions represents the currently heaviest ion specie with simultaneously the highest charge state as well as the most energetic E1 transistion and the highest ion velocity, which could be cooled by a cw laser system.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VIII, 147 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Laser und Quantenoptik
Date Deposited: 18 Feb 2022 12:29
Last Modified: 18 Feb 2022 12:29
DOI: 10.26083/tuprints-00020509
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-205092
Additional Information:

Schlagworte: Laserkühlung, Strahlkühlung, Ion, Teilchenbeschleuniger, Laserspektroskopie, Laser, GSI, Hochschulschrift

Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas ; Winters, Dr. Danyal
Date of oral examination: 13 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20509
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